量子計算機與量子互聯網

何淑貞　王日遠

摘要：

計算機由電子管計算機發展到晶體管計算機，再由晶體管計算機走向更高層次的量子計算機；互聯網由電聯網發展到光聯網，再由光聯網走向更高層次的量子聯網。文章通過量子力學原理和量子“纏結”理論描述了量子計算機與量子互聯網的概念，并介紹了量子計算機與量子互聯網的研究情況。

關鍵詞：

量子；纏結；計算機；互聯網

ABSTRACT:

The computer has been developed at a tremendous pace from the vacuum tube computer to the transistor computer, and the more advanced Quantum Computer is expected to be invented in the near future. Developed from electronic networking, the optical networking is pacing towards the high-level quantum networking. Based on the principle of quantum mechanics and the tangle theory of quantum, the paper describes the concepts of quantum computer and quantum Internet, and also presents their research advances.

KEY WORDS:

Quantum; Tangle; Computer; Internet

人類技術進步總是在科學的幻想中發展，現在科學家們幻想著研制一種新型計算機，并建立一種新奇的網絡。新型計算機采用量子作為工作的基礎，計算速度超過當前任何的理論計算速度，這種計算機稱為量子計算機；新奇的網絡能夠傳輸宇宙間最奇特的物質，其傳輸速度如同“心靈感應”，這種網絡叫量子互聯網，傳輸的奇特物質稱為“纏結”信息。

量子計算機、量子通信技術是近十幾年來發展起來的新技術，當前正處于從實驗室走向實用的階段。

1、量子計算機

計算機面世50多年來，性能提高了約10億倍。在取得這一巨大成就的同時，也意味著按老的方式提升計算機性能的方法已快走到了盡頭。人們寄希望于新的技術突破，量子力學和計算機理論相結合的產物——量子計算機由此應運而生。

1.1 量子與量子力學

1.1.1 量子

微觀世界的某些物理量不能連續變化而只能取某些分立值，相鄰兩分立值之差稱為該物理量的一個量子。普朗克在1900年研究黑體輻射時，首先發現了自然現象中的這種不連續的量子性質，并認為物質吸收或發射輻射能量時能量分化為量子的現象只是普遍自然規律中的一種。同某種場聯系在一起的基本粒子可稱為這一場的量子，其大小為hv(其中h為普朗克常數，v為輻射的頻率)，例如電磁場的量子就是光子。每一種量子的數值都很小，所以在較大物體的運動中量子化效應不發生顯著影響，各量猶如連續變化一樣。但是，對電子、原子等微觀運動來說，這種量子化效應就不能忽略，牛頓力學對它們已不適用，必須代之以量子概念發展起來的量子力學。

1.1.2 量子力學

自1897年發現電子是原子的組成粒子以后，物理學的中心問題之一就是探索原子內部的奧秘。人們逐漸弄清了原子的結構及其運動變化的規律，認識了微觀粒子的波-粒二象性，建立了描述分子、原子等微觀系統運動規律的理論體系——量子力學。量子力學已成為當代物理學理論中的一大支柱，有力地推動了一些學科和技術的發展。由于量子力學的理論和實驗相當復雜，這里只將與本文相關的概念加以簡介。

(1)普朗克量子假說

1900年普朗克發表能量子假說。普朗克假設：輻射物質中具有帶電的線性諧振子(如分子、原子的振動可視作線性諧振子)，由于帶電的關系，線性諧振子能夠和周圍的電磁場交換能量，這些諧振子與古典物理學中所說的不同，只可能處于某些特殊狀態，在這些狀態中，相應的能量是某一最小能量的整數倍。在能量觀念上，普朗克的量子假說與物理學經典理論有著本質上的區別。在經典的熱力學理論和電磁場理論中，能量是連續的，物體所發射或吸收的能量可以是任意的量值。按著普朗克的量子假說，能量是不連續的，存在著能量的最小單元(hv)，物體發射或吸收的能量必須是這個最小單元的整數倍，而且是一份一份地按不連續方式進行的。

(2)愛因斯坦光子假說

1905年，愛因斯坦在普朗克量子假說的基礎上，進一步提出關于光的本性的光子假說。愛因斯坦認為：光不僅像普朗克已指出過的，在發射和吸收時，具有粒子性，而且光在空間傳播時，也具有粒子性，即光是一粒一粒以光速C運動的粒子流，這些光粒子稱為光量子，也稱為光子，每一個光子的能量是e=hv(h是普朗克恒量，v是頻率)，不同頻率的光子具有不同的能量。光的能流密度S(即單位時間內通過單位面積的光能)決定于單位時間內通過單位面積的光子數n，頻率為v的單色光的能流密度為S=nhv。

(3)光子的波-粒二象性

a. 光子的能量、質量和動量

每個光子的能量是e=hv，按照相對論的質量-能量關系式，每個光子的質量：

m=e/C2 =hv/C2

又因光子具有一定的運動質量和速度C，相應的光子也有動量：

mC=hv/C=h/λ

式中λ為波長。

b. 光子的波-粒二象性

由愛因斯坦光子假說可知，光不僅具有波動性，而且具有粒子性，關于光的波動性和粒子性相互并存的性質，稱為波-粒二象性，光子的運動既可以用動量、能量來描述，也可用波長、頻率來描述。在有些情況下，其粒子性表現突出些；在另一些情況下，又是波動性表現的突出些。

1.2 量子計算機

1.2.1 量子計算機的概念

在人類即將跨入21世紀之際，信息科學面臨到新的挑戰。計算機是否存在極限的運算速度？能否實現不可破譯、不可竊聽的保密通信？諸如此類的問題一直是數學家和電子技術專家們關注的重要課題。近年來，物理學家加入到這個研究行列中，他們成功地將量子理論和信息科學結合起來，提出許多令人耳目一新的概念、原理和方法，于是“量子信息”作為新興的學科分支便應運而生。當前量子計算機、量子通信和量子密碼術的研究已經成為熱點，并取得重要進展，其中較為成熟的量子密碼技術估計在5～10年內可實際應用。量子力學和計算機理論，這兩個看起來互不相關領域的結合產生了一門新的學科：量子計算機。

支持現有計算機的半導體技術把電子視為粒子，作為其工作的基礎。然而電子和光子一樣具有波*9鄄粒二象性。當其活動空間較大時，的確可以把它當作粒子對待而忽略其波動性。一旦活動空間減小，例如，當集成電路線寬小于0.1 μm(目前已達到0.13 μm，3～5年后便可達到0.1 μm)時，其波動性質便不可忽略。當10年后，集成電路線寬降到0.07 μm甚至0.05 μm，即50 nm時，器件工藝將達到納米數量級，現在的半導體器件原理就不再適用。納米范圍內的新器件，如單電子晶體管、量子器件、分子器件等，統稱為納電子器件。21世紀上半葉，納電子器件將會逐步占領市場，其集成度和性能將成千上萬倍地提高，屆時，信息技術將從微電子時代發展到納電子時代，所以說21世紀將是納電子時代。由此引發的工作原理建立在量子力學基礎上的計算機便是量子計算機，量子計算機將是納電子時代的重要產品。

現有的電子計算機是以晶體管的“開”和“關”狀態來表示二進制的0和1。以原子或分子為基本結構的量子計算機存儲信息則基于量子位。也就是說，利用粒子的向上和向下自旋來分別代表0和1。

量子計算機的獨特之處在于，處于量子狀態的粒子能夠進入“超態”，即同時沿上、下兩個方向自旋。這一狀態可代表1、0以及中間的所有可能數值。因此，量子計算機可以不像常規計算機那樣按順序把數值相加，而是能夠同時完成所有數值的加法。這一特點使得量子計算機具有強大的功能。使用數百個串接原子組成的量子計算機可以同時進行幾十億次運算。

量子計算機突出的優點有兩個。一是能夠實現量子并行計算，加快解題速度。例如：現在計算機領域廣泛使用的遠地面告警等公開鑰密系統，就是以巨大數的質因子分解極為困難作為前提而設計出來的。一個400位長的數字要對其進行因子分解，即使使用世界上最快的巨型機也要用10億年時間，而人類的歷史才僅僅300多萬年。但若用量子計算機求解，有1年左右的時間便可完成。二是n個量子位可存儲2n個數據，大大提高了存儲能力。在現有計算機上，數據用二進制位存儲，每位只能存儲一個數據，非0即1。而在量子計算機中采用量子位存儲，由于量子疊加效應，一個量子位可以是0或1，也可以既存儲0又存儲1。這就是說量子位存儲的內容可以是0和1的疊加。由于一個二進制位只能存儲一個數據，所以幾個二進制位就只能存儲幾個數據。而一個量子位可以存儲2個數據，所以n個量子位就可以存儲2n個數據。這樣，便大大提高了存儲能力。量子計算機的弱點一是受環境影響大，二是糾錯不容易。

科學家們指出，量子計算將始于“摩爾定律”終結處。按照著名的“摩爾定律”來推算，隨著電路板蝕刻精度越來越高，中央處理器芯片上集成的晶體管器件越來越密，現有芯片制造方法將在未來10多年內達到極限，無法突破到分子以下的尺度。這一極限大約出現在2020年。為此，世界各國的研究人員正在加緊開發新型計算機。除量子計算機外，生物計算機和光計算機等也代表著未來計算機的發展方向。

科學家預言量子計算機將在5年內問世。量子計算機能利用粒子自旋的特殊性質，快速處理大量的信息，運算速度將大大超過現有電腦，并將采用新的運算方式解決傳統計算機不能解決的一些問題，目前復雜的數學難題在量子計算機面前有可能迎刃而解。

1.2.2 量子計算機研究的進展情況

根據目前正在開發中的量子計算機看，量子計算機有3種類型：核磁共振(NMR)量子計算機、硅基半導體量子計算機、離子阱量子計算機。

(1)核磁共振量子計算機

在核磁共振量子計算機方面，美國麻省理工學院和英國牛津大學都開發出了自己的樣機，前者叫“堆積式”量子計算機，后者叫“咖啡杯”計算機。

(2)硅基半導體量子計算機

硅基半導體量子計算機也取得了進展，已成功制成由兩個稱為量子箱的微細半導體微粒放在一起從而實現使兩個原子共享電子的類似于分子鍵的人工分子，它作為今后實現量子計算機的一種基礎技術，正受到人們的注意。因為它和現有計算機一樣，都是建立在硅半導體技術基礎上的，所以能夠借鑒以往更多的成熟經驗，因此也更具有吸引力。

(3)離子阱量子計算機

離子阱量子計算機則是把一系列自旋(基本粒子和原子核的屬性之一，相當于它們固有的動量矩)為1／2的冷離子禁錮在線性量子勢阱里，組成一個相對穩定的絕熱系統。同核磁共振計算機不同，這種量子計算機由激光來實現自旋翻轉的“控制非”操作。由于在這種系統中很容易在任意離子間實現n位量子門，所以具有光明的前景。

目前，美國國際商用機器公司(IBM)、斯坦福大學和卡爾加里大學科學家聯合研制出了世界上最先進的量子計算機，并首次證明這類裝置有明顯快于常規計算機的運算潛力。領導該研究的IBM科學家伊薩克·張 2000年8月15日在宣布該成果時說，這種量子計算機使用了5個原子作為處理器和內存。研究人員對該量子計算機實驗機型進行了測試，用它來確定一個函數的周期。測試結果發現，量子計算機能夠只需一步就解決任何一個例題，而常規計算機完成相同的工作卻需要多次循環運算。伊薩克·張認為，量子計算機有望應用于廣泛的領域。用它來進行數據庫檢索，將會大大提高網上搜索速度。量子計算機也可被用來設置或破譯密碼，提高天氣預報準確性，模擬化學反應以加快新藥的研制等。他預測說，在今后兩年中將誕生7～10個原子的量子計算機。

日本將在未來10年內投資400億日元實施“量子通信技術”計劃。研究課題包括無法破譯的密碼技術、量子通信所需要的超高速計算機和量子傳輸技術。計劃在2020年—2030年前后使保密通信網絡和量子通信網絡技術達到實用化水平。

2、量子互聯網

2.1 量子互聯網的概念

建立一個產生、儲存和傳輸“纏結”信息的網絡，是向開發一種科學幻想家虛構的遠距離傳輸系統邁出的第一步。利用這種“纏結”信息還能制造超快速量子計算機，并把它們連接成量子互聯網，為互聯網發展開辟新途徑。

2.1.1 “纏結”信息

所謂“纏結”是指具有交互作用的粒子之間類似“心靈感應”的神奇連接，即使粒子分別位于宇宙空間遙遠的兩邊，這種連接都能以極快的速度使其連接。“纏結”信息已經用于量子密碼翻譯、極小規模的量子計算和遠距離傳輸等方面。

2.1.2 量子互聯網

根據“纏結”的原理，可以將量子計算機連接起來，構成功能強大的量子互聯網。如果“纏結”的信息能夠通過量子互聯網被瞬間傳輸到全球各個角落，那量子互聯網將引發計算、通信和人類認識宇宙的新革命。

2.2 量子互聯網的理論與研究進展

2.2.1 量子互聯網的理論

實現量子互聯網需要香濃理論的突破，所謂香濃理論是指貝爾實驗室的香濃在1940年奠定的經典信息論的基礎。香濃理論解決了任何通信信道的理論容量，即沿著通信信道能夠可靠傳輸最大數量信息的問題，并闡述了有效傳輸信息的壓縮技術。但是，香濃理論只應用于經典信息論，量子“纏結”信息的出現，使香濃理論面臨新的問題，要求香濃理論有所突破，為量子互聯網的發展開辟道路。目前需要解決量子信息奇特的脆弱性和量子“纏結”信息古怪特性的問題。

(1)量子信息的脆弱性

建立量子互聯網面臨的一個問題是量子粒子的脆弱性(容易丟失信息)，也就是說，只要能看到量子粒子，它就有了被破壞的可能性。這個問題不僅涉及能夠存儲的信息數量，而且還涉及能夠檢索的信息數量。解決這個問題的辦法是測量量子，通過測量，掌握量子的變化特性。

(2)量子“纏結”信息的特性

經典信息論是“0”和“1”組成的序列，通過改變導線上的電壓可以實現這種序列編碼。在一定的電壓電平之上是“1”，反之則是“0”。

量子粒子(如光子)中的部分信息的編碼則具有完全不同的特點。光子在同一時間有兩種或多種存在狀態。例如：能夠將光子的電場加以濾波，這樣它就在一個特定的平面產生極化振蕩。當振蕩平面變成垂直極化時，此平面稱為“0”，當振蕩平面變成水平極化時，此平面稱為“1”。然而，由于“量子疊加”，光子可能同時垂直和水平極化，可能同時為“0”和“1”。“纏結”粒子的奇妙之處在于測量一對粒子中的一個，便能確定另一個的測量結果，而不管這兩個粒子相距多遠。這種在時間和空間內魔術般地連接的兩點，充分說明了“纏結”信息的含意，意味著“纏結”將會給未來的網絡通信帶來巨大的變化。

2.2.2 量子互聯網的研究進展

1992年IBM公司和TelAviv大學的研究人員研究認為，“纏結”對量子信道的容量有極大的影響，目前發現至少可將信道容量提高一倍。這是因為在量子信道中傳輸的每個光子都可能有水平和垂直兩種狀態，所以把一對光子連接在一起，就可能變成4種狀態。利用“纏結”技術，一個光子可以發送2位信息，從而使信道容量提高一倍。這種現象稱為量子超密集編碼。現在，應用“纏結”技術又有新進展，研究人員開始研究粒子3重“纏結”和4重“纏結”，能使粒子實現更多的組合狀態，可以使量子信息以極快的速度通過互聯網絡。

但只有傳輸速度沒有傳輸質量也不行。這種極快的信息傳輸速度要建立在糾正可能出現的錯誤之上。由于量子“纏結”狀態是脆弱的，任何外力都可能產生破壞作用，以致許多物理學家誤認為不可能可靠地傳輸量子信息。但是在最近，IBM和微軟的兩位研究人員對量子“纏結”狀態的脆弱性問題提出了完善的解決方案，其解決方案是利用執行量子計算的軟件來保護量子信息，使量子信息不會產生錯誤。

2.3 量子互聯網的發展計劃

1997年奧地利的因斯布魯克大學的研究人員提出了第一個量子互聯網計劃。2000年3月美國麻省理工學院和馬薩諸塞州林肯空軍研究室的研究人員提出了更加接近實現量子互聯網的設想。他們的設想是生成一對光子，并沿著2條光纖傳輸，即一個光子傳輸給甲地的研究人員，另一個傳輸給乙地的研究人員。甲乙兩地的研究人員都擁有包含超冷卻原子的激光俘獲器，而原子能吸收光子。研究人員可以確定原子何時吸收光子而不會干擾它，并在原子吸收“纏結”的一對光子時檢查甲乙兩地研究人員能夠同時發現吸收的光子。當確定原子確實吸收光子時，原子本身也就變成了“纏結”的粒子。當原子沒有電荷時，它們不受電場和磁場的影響，這樣就容易保護“纏結”的粒子不受外力的影響。美國陸軍已向麻省理工學院的一項研究計劃投資數百萬美元，以加速量子互聯網的研究開發。麻省理工學院發布了建立量子互聯網的詳細計劃，并宣布現在建立量子互聯網的技術已具備，該計劃打算在3年內建成量子互聯網，并首先在麻省理工學院建立3個節點。因此，業界人士分析，全球量子互聯網的實現將指日可待。□

(收稿日期：2002-03-08)

作者簡介

何淑貞，畢業于東北大學自動控制系，信息產業部第4研究所高級工程師。參加了960路、1 800路大型微波通信設備的研制工作(該項目獲得國家科技二等獎)，還參加了有關CATV、MMDS、SDH等的項目研發工作，近年來致力于通信熱門課題的探索。已在報刊及雜志上發表論文近百篇，著有《CATV與多媒體通信》一書。

王日遠,畢業于解放軍西安軍械技術學院。現為解放軍第二炮兵技術裝備部高級工程師。已在報刊及雜志上發表論文10余篇，合著有《CATV網與多媒體通信》一書。